Принцип измерения, конструкция, некоторые параметры и применение бесконтактных инфракрасных термометров. Интерпретация во многих местах сильно упрощена, чтобы сохранить ясность и понятность.
Температура – одна из наиболее контролируемых физических величин. Было бы трудно найти отрасль или производственную технологию, в которой не нужно было бы измерять температуру.
Инфракрасные термометры (бесконтактные термометры, пирометры) измеряют температуру, не касаясь поверхности. Большим преимуществом также является скорость, с которой происходит измерение.
Принцип бесконтактного измерения температуры
При измерении бесконтактным инфракрасным термометром (пирометром) используется тот факт, что каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля (т.е. около -273°С), излучает энергию. Количество излучаемой энергии увеличивается с повышением температуры тела.
Инфракрасное излучение испускается всеми телами вследствие теплового движения элементарных частиц вещества. Для бесконтактного измерения температуры используются выбранные длины волн в диапазоне примерно от 1 до 16 мкм, при которых инфракрасное излучение не поглощается атмосферой.
Инфракрасная часть спектра излучаемой энергии используется для бесконтактного измерения температуры. Количество излучаемой энергии определяется не только температурой, но и излучательной сособностью объекта (коэффициентом теплового излучения). Коэффициент излучения является одним из важных факторов, влияющих на бесконтактные измерения температуры.
Конструктивно бесконтактный термометр (пирометр) представляет собой оптико-электронный прибор. Линза концентрирует инфракрасное излучение на датчике, который преобразует его в электрическую величину. Электронный блок с процессором обрабатывает сигнал датчика и выводит значение температуры на дисплей, либо преобразует его в стандартные электрические величины.
Отдельные части термометра:
- оптика – концентрирует излучаемую измеряемым телом энергию так, чтобы она попадала на датчик,
- датчик - преобразует падающее инфракрасное излучение в электрический сигнал,
- электронные схемы - обрабатывают сигнал с датчика,
- дисплей - показывает измеренную температуру.
Основные параметры термометра
Отдельные технические параметры обычных инфракрасных термометров:
- диапазон измерения: обычные типы термометров измеряют примерно от -30°C до нескольких сотен или до нескольких тысяч градусов Цельсия,
- точность измерения: обычно около ±(1-2)% от измеренного значения или ±(1-2)°С, в зависимости от того, что больше,
- оптическая характеристика: данные о так называемой оптической характеристике (обычно обозначаемой как D:S) дают ответ на один из самых распространенных вопросов - с какого расстояния можно измерить температуру. Значение D:S означает, что температуру области диаметром S можно измерить с расстояния D.
Оптические характеристики обычных инфракрасных термометров, как правило, составляют примерно от 3:1 до 80:1. Если для измерения используется термометр с оптической характеристикой (D:S) 3:1, температуру тела диаметром, например, 10 см можно измерить с расстояния не более 30 см.
При характеристике термометра 10:1 температуру одного и того же тела можно измерить с максимального расстояния 100 см. Для обеспечения максимально возможной точности рекомендуется, если возможно, измерять температуру с расстояния меньше максимально возможного.
Наименьший диаметр измеряемой площади S составляет около 10 мм для обычных термометров. Наоборот, самое большое расстояние (при условии соблюдения D:S), с которого еще возможно измерение без значительного увеличения погрешности, составляет около ста метров. Предполагается, что воздух не загрязнен дымом, пылью и т.п.
Отображаемая температура будет зависеть от того, какой объект находится за измеряемым телом и какую температуру этот объект имеет (это может быть, например, стена или что-то еще). Отображаемая температура будет располагаться между температурой измеряемого тела и температурой объекта (например, стены) за ним.
На самом деле коэффициент излучения — это способность тела излучать энергию. Большинство обычных материалов, таких как дерево, текстиль, земля, кожа, стекло, керамика и т. д., имеют коэффициент излучения около 0,95. Поэтому в более простых типах инфракрасных термометров это значение обычно фиксируется.
Если такой термометр измеряет температуру тела с разным коэффициентом излучения, то точность измерения можно повысить, например, покрыв поверхность измеряемого тела другим материалом с коэффициентом излучения примерно 0,95.
Более универсальные инфракрасные термометры позволяют регулировать коэффициент излучения, обычно в диапазоне от 0,10 до 1,00.
В общем, не рекомендуется измерять температуру блестящих (чаще всего металлических) тел напрямую, даже если имеется термометр с регулируемым коэффициентом излучения. Более целесообразно использовать, например, наклейку с определенным коэффициентом излучения или модифицировать поверхность измеряемого тела подходящим покрытием.
Очень блестящий корпус очень проблематичен с точки зрения бесконтактного измерения, его коэффициент излучения обычно значительно ниже 1. Примером материала, непригодного для прямого измерения, является полированный алюминий с коэффициентом излучения около 0,10.
Стандартное значение коэффициента излучения для подавляющего большинства материалов известно и обычно приводится в таблицах коэффициентов излучения. Его также можно определить экспериментально.
Другие параметры и свойства
Некоторые термометры снабжены лазерным прицелом, который либо ориентировочно указывает на центр измеряемой области, либо даже определяет ее по нескольким точкам. Самые дешевые термометры обычно не имеют прицела. С другой стороны, оптический прицел может входить в состав термометров более высокого класса.
В дополнение к текущей температуре другие термометры позволяют отображать множество других переменных: например, максимальную, минимальную, среднюю температуру, разницу температур или предупреждение о превышении заданного предельного значения.
Также можно назвать ряд других общих параметров - диапазон рабочих температур, способ питания (чаще аккумуляторный, иногда от адаптера), версия термометра, оснащенная штативной резьбой, подключение к ПК, хранение результатов и т.д.
Примеры использования термометров
Ручные бесконтактные термометры предпочтительно используют для оперативных измерений в диагностике, планово-предупредительном ремонте и технологических измерениях.
Бесконтактный термометр может стать незаменимым помощником для каждого инженера-электрика, инспектора и электромонтера. Он позволяет безопасно измерять температуру цепей под напряжением. Тем не менее, важно обеспечить безопасное расстояние в отношении напряжения и соответствующих правил техники безопасности!
Во многих случаях повышение температуры свидетельствует о технической проблеме, ошибке проводки, неисправном элементе, слишком высоком переходном сопротивлении (плохая затяжка или окисление контактных соединений) и т. д. Поэтому термометр найдет применение, например, при устранении неисправностей и профилактических осмотрах или в разработке нового оборудования.
Примеров измерений множество: измерение нагрева проводов и клемм в распределительных щитах, измерение нагрева двигателей и трансформаторов, устранение неполадок в монтажных коробках без необходимости их вскрытия, обслуживание электрических отопительных приборов и т.д.
Существует неисчерпаемое количество вариантов применений инфракрасных термометров: измерения температуры в труднодоступных местах или на движущихся поверхностях, измерения в средах, опасных для оператора или измерительного прибора, измерения при ремонте и обслуживании автомобилей, в строительстве — например, обнаружение утечек тепла, в пищевой промышленности и т. д.
Тепловизоры
Тепловые камеры работают по тому же принципу, что и обычные инфракрасные термометры. Однако инфракрасная энергия попадает на матрицу датчиков и в результате получается двумерное цветное изображение теплового поля, так называемая термограмма.
Термограмма, отображаемая на дисплее тепловизора, позволяет с первого взгляда определять места с разной температурой и одновременно измерять и отображать текущие значения температуры. Поэтому тепловизоры используются там, где поиск более теплых или более холодных мест был бы трудоемким или даже невозможным с помощью стандартных инфракрасных термометров.
Типичные области применения: диагностика электрических распределительных щитов, поиск плохо изолированных тепловых труб, исследование температурных полей пресс-форм, перегрева механических частей машин и оборудования, таких как подшипники, муфты, редукторы.
Современные решения позволяют проектировать небольшие, легкие и дешевые ручные тепловизоры с простым управлением. Измеренные данные могут быть легко сохранены, оценены, отредактированы и заархивированы на компьютере.
Смотрите также:
Бесконтактное измерение температуры при эксплуатации электрооборудования
Визуальный контроль в электроэнергетике
Выявление дефектов контактных соединений распределительных устройств и воздушных линий